高性能拉曼散射分布式光纖傳感原理與技術

李健，教授/博士生導師，中國科協青年人才、山西省青年拔尖人才，精密測量物理山西省重點實驗室副主任，兼任《PhotoniX》、《紅外與激光工程》、《中國測試》、《光電融合》青年編委，中國光學工程學會青年工作委員會委員、中國光學工程學會光電融合專業委員會委員，從事混沌拉曼分布式光纖傳感研究，主持國家、省部級和企業委托項目 20 項，以第一/通訊作者在Light：Science &Applications（2篇）、Photonics Research等期刊發表學術論文 50 余篇，第一發明人授權中國發明專利 13 項、美國專利 2 項，研究成果獲中國十大光學產業技術，得到《中國科學報》、《新華網》、《麻省理工科技評論》專文報道。以第一完成人獲省部級技術發明獎2項、中國儀器儀表學會金國藩青年學子獎、中國光學學會郭光燦光學優博論文提名獎等獎勵。

目錄

 

 

第1章緒論

1.1拉曼散射分布式光纖傳感原理、系統架構與優勢

1.1.1理論基礎： 拉曼散射效應

1.1.2傳感原理與系統架構

1.1.3技術優勢與挑戰

1.2拉曼散射分布式光纖傳感技術研究歷程

1.2.1理論奠基與概念驗證

1.2.2技術突破與商用啟航

1.2.3性能優化與應用深化

1.3拉曼散射分布式光纖傳感技術的應用研究進展

1.3.1電力電纜與輸電線路安全監控

1.3.2油氣管道泄漏監測與周界安防

1.3.3大型土木工程結構健康監測

1.3.4新一代研究前沿與挑戰

1.3.5應用總結

1.4本書結構安排

參考文獻

第2章拉曼散射分布式光纖傳感基本原理

2.1引言

2.2定位原理

2.2.1拉曼光時域反射定位原理

2.2.2相關法定位解調原理

2.2.3拉曼光頻域反射法定位解調原理

2.3溫度解調原理

2.3.1雙路信號溫度解調原理

2.3.2單路信號溫度解調原理

2.3.3環路信號溫度解調原理

2.3.4相關法峰值系數溫度解調原理

2.3.5拉曼光頻域反射法溫度解調原理

2.4小結

參考文獻

第3章系統性能提升中的關鍵物理問題分析

3.1引言

3.2拉曼散射分布式光纖傳感技術的關鍵性能指標

3.2.1測量動態範圍和傳感距離

3.2.2空間分辨率

3.2.3溫度分辨率

3.2.4測溫精度

3.3脈沖寬度對性能指標的影響

3.3.1脈沖寬度對空間分辨率的影響

3.3.2脈沖寬度對測溫精度的影響

3.3.3脈沖寬度對傳感距離的影響

3.4脈沖波形對空間分辨率的影響

3.4.1規律脈沖波形對空間分辨率的影響

3.4.2不規則脈沖波形對空間分辨率的影響

3.5光纖色散對性能指標的影響

3.5.1光纖色散對空間分辨率的影響

3.5.2光纖色散對測溫精度的影響

3.6激光脈沖傳輸特性及拉曼散射光強疊加特性分析

3.6.1基於脈沖離散強度有效點的信號采集時域模型

3.6.2基於光時域反射定位原理的光纖散射信號疊加特性

3.6.3光纖探測區域與SR的相對長度關系對拉曼散射信號的影響

3.7小結

參考文獻

第4章高空間分辨率拉曼散射分布式光纖傳感技術

4.1引言

4.2基於差分脈沖對的拉曼光纖溫度解調技術

4.2.1差分脈沖對解調原理

4.2.2模擬仿真與實驗結果

4.3基於自脈沖時域延時差分的拉曼光纖溫度解調技術

4.3.1自脈沖時域延時差分解調原理

4.3.2定位及溫度解調結果

4.4基於多脈沖並行輔助的拉曼光纖溫度解調技術

4.4.1探測光纖對溫度包絡的影響

4.4.2多脈沖並行輔助拉曼光纖溫度解調原理

4.4.3實驗溫度解調結果

4.5基於拉曼散射包絡信號幅值擬合輔助的拉曼光纖溫度解調技術

4.5.1拉曼散射包絡信號幅值擬合輔助解調原理

4.5.2實驗溫度解調結果

4.6基於信號特征值分解與脈沖能量分配的拉曼光纖溫度解調技術

4.6.1信號特征值分解與脈沖能量分配傳感原理

4.6.2實驗溫度解調結果

4.7基於拉曼散射包絡信號斜率輔助的拉曼光纖溫度解調技術

4.7.1溫變區內脈沖傳輸特性和拉曼散射信號疊加特征

4.7.2拉曼散射包絡信號斜率輔助傳感原理

4.7.3實驗溫度解調結果

4.8基於非相幹探測的拉曼光頻域反射解調技術

4.8.1非相幹探測拉曼光頻域反射解調原理

4.8.2仿真解調結果

4.9小結

參考文獻

第5章混沌激光拉曼散射分布式光纖傳感技術

5.1引言

5.2混沌脈沖激光差分相關解調技術

5.2.1混沌激光的產生及混沌拉曼散射光場特性

5.2.2時域差分重構與相關壓縮解調原理

5.2.3基於混沌激光相關法的溫度解調結果 

5.3基於二階相關偏導計算的混沌激光相關解調技術

5.3.1二階相關偏導解調原理

5.3.2溫度信號定位及解調結果

5.4混沌脈沖簇相關解調技術

5.4.1混沌脈沖簇探測信號特征分析

5.4.2實驗溫度解調結果

5.5混沌非對稱脈沖對相關解調技術

5.5.1混沌非對稱脈沖對信號特征分析

5.5.2實驗溫度解調結果

5.6高熵信號多階差分相關解調技術

5.6.1高熵信號及其特征

5.6.2多階時域差分重構原理

5.6.3三種高熵信號方案溫度解調性能對比

5.7結語

參考文獻

第6章長距離高信噪比拉曼散射分布式光纖傳感技術

6.1引言

6.2基於復數域寬度啁啾脈沖壓縮探測的拉曼光纖溫度解調技術

6.2.1復數域寬度啁啾脈沖壓縮傳感解調原理

6.2.2寬度啁啾脈沖探測信號特性分析

6.2.3溫度解調實驗結果

6.3基於強抗幹擾脈沖編碼與波形重構的拉曼光纖溫度解調技術

6.3.1強抗幹擾脈沖編碼原理

6.3.2波形重構與解碼原理

6.3.3長距離溫度解調結果

6.4動態噪聲抑制結合小波模極大值去噪拉曼光纖溫度解調技術

6.4.1解調模型

6.4.2溫度解調結果

6.5瑞利噪聲抑制拉曼解調技術

6.5.1瑞利噪聲抑制原理

6.5.2溫度解調對比結果

6.6基於遺傳優化去噪的拉曼光纖溫度解調技術

6.6.1遺傳優化去噪模型

6.6.2去噪實驗解調結果

6.7小結

參考文獻

第7章高精度拉曼散射分布式光纖傳感技術

7.1引言

7.2基於差分溫敏系數補償的拉曼光纖溫度解調技術

7.2.1拉曼散射方程溫敏系數補償原理

7.2.2溫度解調實驗對比結果

7.3基於動態增益校準的拉曼光纖溫度解調技術

7.3.1光源與探測器動態增益校準原理

7.3.2不同傳感距離下的實驗對比結果

7.3.3拉曼光衰減差異補償技術

7.3.4光源脈沖編碼技術

7.3.5大溫度測量範圍下溫度分辨率性能仿真分析

7.4基於光纖模式色散補償校準的拉曼光纖溫度解調技術

7.4.1拉曼斯托克斯光散射和反斯托克斯光散射信號波長色散校準原理

7.4.2溫度解調對比結果

7.5基於動態差分衰減識別的拉曼光纖溫度解調技術

7.5.1動態差分衰減識別解調原理

7.5.2解調對比實驗結果

7.6小結

參考文獻

第8章基於深度學習的高性能拉曼散射分布式光纖傳感技術

8.1引言

8.2基於傳感光纜熱傳遞函數的溫度超前預警技術

8.2.1傳感光纜溫度傳遞滯後效應

8.2.2超前預警模型建立及實驗結果分析

8.3基於多階實時移動平均法的數據挖掘和融合預警技術

8.3.1技術原理分析

8.3.2溫度預警實驗結果與分析

8.4基於殘差復合雙卷積神經網絡的拉曼光纖溫度解調技術

8.4.1殘差復合雙卷積神經網絡原理

8.4.2溫度解調實驗結果

8.5神經網絡色散補償拉曼解調技術

8.5.1一維膨脹卷積殘差神經網絡原理

8.5.2一維膨脹卷積殘差神經網絡訓練模型

8.5.3溫度解調實驗結果

8.6基於深度學習拉曼損耗及溫度效應的雙參量拉曼光纖傳感技術

8.6.1雙參量解調原理

8.6.2實驗結果與分析

8.7小結

參考文獻